Cómo los materiales compuestos moldearon la exploración espacial

 

El 20 de julio de 2019 marcó el 50 aniversario del primer alunizaje del Apollo. Aunque en el momento en que se construyó la cápsula Apollo, la industria de compuestos aún estaba en su infancia y los materiales no estaban aún en uso generalizado, la cápsula Apollo usó tecnología compuesta temprana en forma de escudo térmico ablativo hecho de Avcoat, una resina epoxi novolaca con fibras de sílice en una matriz de panal de fenólico-fibra de vidrio. Un panal de fibra de vidrio se unió a la estructura primaria y el material parecido a pasta se inyectó en cada celda individualmente. Desde Apollo, los compuestos avanzados han evolucionado a pasos agigantados, y han jugado un papel significativo en programas espaciales con uso en vehículos de lanzamiento, el transbordador espacial, satélites, telescopios espaciales y la Estación Espacial Internacional.

 

Hoy, la raza humana se encuentra preparada para algunos pasos emocionantes nuevos en la exploración espacial. La administración actual ha pedido un regreso a la luna por astronautas de EE. UU. para 2024 y ha anunciado un presupuesto 2021 de más de 25 mil millones de dólares para el programa de exploración espacial humana de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA, Washington, D.C., EE. UU.). El administrador de NASA Jim Bridenstine dice que el presupuesto es «uno de los presupuestos más fuertes en la historia de NASA».

Además de otro tiro a la luna, NASA tiene misiones actuales y futuras para estudiar nuestro sistema solar desde el sol hasta las lunas heladas de los planetas más exteriores y más allá. Misiones para explorar el sol están actualmente en marcha: en el momento de esta escritura, la Parker Solar Probe está monitoreando actualmente la atmósfera del sol y un Solar Orbiter ha lanzado con éxito. También hay esfuerzos en marcha para fomentar la exploración de exoplanetas y galaxias distantes a través de la misión Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) y el Telescopio Espacial James Webb, este último del cual ha hecho avances hacia la preparación para lanzamiento durante el último año.

Nuevas naves espaciales y programas también han resultado en años recientes de la mayor colaboración entre agencias espaciales nacionales e internacionales así como empresas comerciales. Por ejemplo, SpaceX (Hawthorne, California, EE. UU.), con su nave Crew Dragon, y Boeing Space and Launch (Arlington, Virginia, EE. UU.), con su nave Starliner, compiten hacia el primer vuelo espacial tripulado de EE. UU. desde la discontinuación del programa del transbordador espacial en julio 2011. Las dos compañías han estado realizando vuelos de prueba con NASA en esperanzas de una misión tripulada en 2021.

Desde el mayor apoyo al programa espacial de NASA hasta el crecimiento explosivo del espacio comercial, la raza humana parece verdaderamente preparada para la próxima gran era espacial. Los compuestos y materiales avanzados juegan un papel cada vez mayor en la fabricación de los lanzadores, naves espaciales e instrumentos que hacen posible toda esta exploración.

 

Luna

El programa general para regresar humanos a la luna lleva el nombre de Artemisa, la diosa griega de la luna y la caza, la hermana gemela de Apolo —y el alcance del programa es vasto. Artemisa establecerá una base en órbita lunar, permitiendo a los astronautas no solo explorar más la luna, sino también usar la luna como puesto avanzado para eventuales misiones a Marte. Varios proyectos componen el programa Artemisa, incluyendo un nuevo sistema de lanzamiento pesado conocido como Space Launch System (SLS), la nave tripulada Orion, una estación espacial en órbita lunar conocida como Gateway y un módulo de aterrizaje lunar. Los compuestos avanzados intervienen en todos estos componentes de una forma u otra.

 

Lanzador pesado. Etapa del cohete SLS preparada para envío. Fuente | NASA

 

El Space Launch System (SLS)

El nuevo vehículo de lanzamiento pesado de NASA tiene como objetivo permitir exploración más allá de la órbita terrestre. En 2015 NASA invirtió en una máquina de colocación automática de fibra (AFP) de Electroimpact (Mukilteo, Washington, EE. UU.) para fabricar piezas de cohete a gran escala comprendiendo estructuras sándwich de más de 8 metros de diámetro hechas de pieles de fibra de carbono con núcleo de panal de aluminio. La cabeza AFP sostiene hasta 16 bobinas de fibra de carbono y se posiciona al final de un brazo robótico de 21 pies que coloca las fibras sobre una superficie de tooling en patrones precisos para formar estructuras de formas y tamaños variables.

Estructuras sándwich similares son creadas por RUAG Space (Decatur, Alabama, EE. UU.) usando un proceso de colocación manual. La compañía está trabajando con Dynetics (Huntsville, Alabama, EE. UU.) en un Adaptador de Etapa Universal (USA) que unirá la etapa superior del SLS a la nave tripulada Orion. RUAG Space fabricará la carcasa de 8,4 metros de diámetro del adaptador comprendiendo cuatro paneles de cuarto de panal compuesto que se unirán en caliente (Más información).

Vehículo Tripulado Multipropósito Orion

Consistiendo en un módulo de mando fabricado por Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, EE. UU.) y un módulo de servicio proporcionado por la Agencia Espacial Europea (ESA, París, Francia) y fabricado por Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Alemania), Orion es el corazón del programa Artemisa y llevará astronautas al espacio, servirá como vehículo de exploración durante viajes espaciales y devolverá la tripulación a la Tierra.

El sistema de propulsión de Orion incluye numerosos componentes fabricados por Aerojet Rocketdyne (Sacramento, California, EE. UU.), incluyendo ocho motores auxiliares bipropelentes de 110 libras de empuje basados en la familia de motores R-4D de Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne también proporciona el motor de eyección del Sistema de Aborto de Lanzamiento (LAS) y vasos de presión sobrerrollados con compuesto para la nave. A principios de 2020, Aerojet Rocketdyne instaló una máquina de bobinado de fibra de carbono para producir sus carcasas de motor de cohete sólido (Más información).

Para la reentrada, Orion usa un escudo térmico de fibra de carbono de 5 metros de diámetro fabricado por Lockheed Martin que se fabrica como estructura sándwich con pieles de fibra de carbono y núcleo de panal de titanio. El escudo térmico se cubre luego en paneles de Avcoat —el mismo material ablativo usado para las misiones Apollo (Más información).

Cuatro almohadillas de compresión de material ablativo se unen al escudo térmico con tornillos de titanio en puntos donde el módulo de mando se une al módulo de servicio. Las almohadillas de compresión deben resistir cargas estructurales durante lanzamiento y ascenso, así como piro-choque (de tornillos explosivos) durante la separación de los dos módulos. También deben cumplir demandas de reentrada para resistencia a alta temperatura y ablación. Almohadillas de fibra de carbono/fenólico se usaron en el primer vehículo de prueba Orion, pero mostraron evidencia de grietas interlaminares post-vuelo y fueron reemplazadas con una solución tejida 3D conocida como 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) que usa un material de cuarzo tejido 3D de Bally Ribbon Mills (Bally, Pensilvania, EE. UU.) y un sistema de resina cianato éster de Toray Advanced Composites (Más información).

 

Plataforma Orbital Lunar-Gateway (LOP-G)

Gateway es una estación espacial en órbita lunar siendo desarrollada por NASA junto con socios internacionales incluyendo agencias espaciales rusa, canadiense, japonesa y europea. El rol de Gateway es apoyar exploración de la luna y servir como puesto avanzado para eventuales misiones a Marte. Los varios módulos para la estación están en desarrollo y probablemente emplearán materiales compuestos de alguna forma.

Un Array Solar Desplegable (ROSA) desarrollado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL; Dayton, Ohio, EE. UU.) y Deployable Space Systems usando compuestos de alta deformación (HSC) se usará en el programa Gateway. Los HSC son materiales compuestos delgados, ligeros, diseñados para caber en paquetes pequeños y desplegarse desenrollándose. El sistema ROSA usa dos brazos HSC de fibra de carbono para desenrollar y tensionar una gran manta de array solar. (Más información sobre HSC).

Otra contribución potencial a Gateway es el Canadarm-3. Propuesto por la Agencia Espacial Canadiense (Longueuil, Quebec, Canadá), el dispositivo es un brazo robótico de 8,5 metros construido de compuestos de fibra de carbono. Sistemas Canadarm previos se han usado en el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional (ISS).

 

Módulos de aterrizaje lunar

Numerosas compañías están trabajando en conceptos de sistema de aterrizaje lunar para Artemisa, todos los cuales incluyen potencial para materiales compuestos. Por ejemplo, Blue Origin (Kent, Washington, EE. UU.) se asocia con Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Virginia, EE. UU.) y Draper (Cambridge, Massachusetts, EE. UU.) en un propuesto sistema de aterrizaje lunar de tres vehículos: el módulo de aterrizaje lunar Blue Moon de Blue Origin, un vehículo «Elemento de Transferencia» provisto por Northrop Grumman que posicionará el sistema de aterrizaje en órbita lunar, y un vehículo «Elemento de Ascenso» provisto por Lockheed Martin que devolverá astronautas a órbita lunar desde la superficie de la luna. Un sistema de guía de descenso y aviónica de vuelo será provisto por Draper. Varias otras compañías trabajando en conceptos de aterrizador lunar incluyen Boeing, Dynetics, SpaceX y Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colorado y Madison, Wisconsin, EE. UU.).

Además de aterrizadores lunares tripulados, NASA anticipa la necesidad de aterrizadores lunares pequeños y medianos para permitir una variedad de investigaciones científicas y grandes demostraciones de tecnología de carga útil.

 

Trajes Artemisa

En octubre 2019, NASA presentó dos nuevos diseños de trajes espaciales —una nueva Unidad de Movilidad Extravehicular de Exploración (xEMU) y el traje Sistema de Supervivencia de Tripulación Orion (OCSS)— ambos que se usarán para las misiones lunares del programa Artemisa.

Se reporta que el traje xEMU ofrece un rango de movilidad muy mejorado sobre trajes actualmente en uso para actividad extravehicular (EVA). Según ILC Dover (Frederica, Delaware, EE. UU.), que tiene relación de largo tiempo con NASA fabricando trajes espaciales, el traje xEMU es una actualización de un traje de caminata avanzado entregado a NASA en 2016 conocido como Z-2.

«Desde 2016, ILC Dover ha continuado mejorando el diseño de trajes de caminata, así como trajes de gravedad cero y trajes de entrada de lanzamiento», dice Dan Klopp, marketing de producto para ILC Dover.

El prototipo de traje espacial Z-2 presenta elementos de torso y cadera de fibra de carbono/epoxi en el diseño. (Ver «En Marte, no cualquier traje servirá» para más sobre uso de compuestos en trajes espaciales.)

El traje espacial OCSS de NASA está diseñado como traje presurizado de lanzamiento y entrada para miembros de tripulación Orion. Aunque NASA no ha publicado detalles sobre materiales en el nuevo diseño, es una apuesta segura que una buena cantidad de compuestos están involucrados. Trajes de lanzamiento y entrada de era del transbordador presentaban una capa exterior de Nomex meta-aramida resistente a llama de DuPont (Richmond, Virginia, EE. UU.). Unidades de Movilidad Extravehicular (EMU) previas han usado combinaciones de Nomex, la para-aramida Kevlar (también desarrollada por DuPont) y Gore-Tex, una membrana de tela impermeable y transpirable fabricada por W.L. Gore & Assoc. (Newark, Delaware, EE. UU.) (Más información).

 

Marte

Una gran parte de la iniciativa Artemisa es preparar el escenario para enviar humanos a Marte. Mientras tanto, NASA también está trabajando hacia una misión no tripulada a Marte este verano que establecerá un nuevo rover robótico y un helicóptero exploratorio robótico en el planeta rojo.

Una aeroshell con forma de cápsula protegerá el rover Mars 2020 durante la entrada en la atmósfera de Marte y aterrizaje. La aeroshell está hecha de un panal de aluminio con pieles de fibra de carbono. El escudo térmico usa un sistema de protección térmica de ablator de carbono impregnado fenólico (PICA) en baldosas.

El rover Mars 2020 en sí mide aproximadamente 10 pies de largo, 9 pies de ancho y 7 pies de alto (3 metros de largo, 2,7 metros de ancho, 2,2 metros de alto). Aunque NASA no ha publicado detalles sobre los materiales usados para construir el rover, se sabe que Advanced Composites Training (ACT, London, Ontario, Canadá) sirvió como consultor al Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, Pasadena, California, EE. UU.) de NASA sobre el uso de materiales compuestos para la construcción del rover Mars 2020 (Más información).

Con 2.314 libras (1.050 kilogramos), el rover pesará menos que el coche compacto promedio. Necesita ser tanto ligero como duradero para el viaje al planeta rojo, y también necesita ser lo suficientemente fuerte para llevar cámaras e instrumentos científicos, así como el Helicóptero de Marte —otra nave intensiva en compuestos que se usará para explorar el planeta.

El Helicóptero de Marte está construido de más de 1.500 piezas individuales de fibra de carbono, aluminio de grado de vuelo, silicio, cobre, lámina y espuma y pesa no más de 4 libras (1,8 kilogramos) (Más información).

 

 

Sol

Dos misiones están actualmente en marcha para mejorar nuestra comprensión del sol y sus comportamientos, ambas con el objetivo final de pronosticar tormentas solares que pueden afectar sistemas eléctricos terrestres, comunicaciones por satélite y GPS.

 

Parker Solar Probe

La Parker Solar Probe lanzó en agosto 2018 y realiza mediciones in-situ e imágenes para estudiar la corona del sol y viento solar. Para soportar las temperaturas extremas en esta región, la sonda usa un escudo reflectante ligero de 4,5 pulgadas de espesor. Este sistema de protección térmica (TPS) está hecho de espuma de compuesto de fibra de carbono entre dos laminados de carbono y recubierto con pintura cerámica blanca en la superficie hacia el sol. El escudo fue diseñado por Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Maryland, EE. UU.) y construido en Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, EE. UU.).

La mayoría de los instrumentos de la sonda están escondidos detrás del TPS, y sensores a lo largo del borde del escudo térmico mantienen la nave posicionada correctamente. Los arrays solares que se usan para alimentar la nave pueden retraerse en la sombra del escudo térmico para protección. Un sistema de enfriamiento simple que opera circulando aproximadamente un galón de agua también se emplea para mantener los arrays solares e instrumentación frescos.

En enero 2019, NASA reportó que la Parker Solar Probe operaba como diseñado tras su cuarto acercamiento cercano al sol, conocido como perihelio. El TPS de la nave alcanzó una nueva temperatura récord de 1.134 °F (612 °C), aunque la nave e instrumentos detrás de este escudo térmico protector permanecieron a una temperatura de aproximadamente 85 °F (30 °C). Durante los tres perihelios más cercanos de la nave en 2024-25, el TPS verá temperaturas alrededor de 2.500 °F (1.370 °C).

 

Solar Orbiter

Solar Orbiter, una misión colaborativa entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y NASA, lanzó en febrero 2020. El orbitador está en una trayectoria única que permitirá su conjunto completo de instrumentos proporcionar las primeras imágenes jamás de los polos del sol.

La nave está protegida por un escudo solar en capas de compuesto de fibra de carbono/titanio con aperturas para varios instrumentos. El escudo térmico de 324 libras puede soportar hasta 970 °F (521 °C) y usa una capa de lámina de titanio de 0,05 milímetros de espesor para reflejar calor. El escudo está soportado por un panel de soporte de 2,94 x 2,56 metros que es de aproximadamente 5 centímetros de espesor y hecho de panal de aluminio ligero con dos pieles de fibra de carbono de alta conductividad térmica. Protección adicional es proporcionada por aislamiento multi-capa capaz de soportar 572 °F (300 °C). El escudo térmico de Solar Orbiter está recubierto con una fina capa negra de fosfato de calcio.

 

 

Más allá del sistema solar

En agosto 2019, ingenieros en las instalaciones de Northrop Grumman en Redondo Beach, California, EE. UU., conectaron mecánicamente el Elemento de Telescopio Óptico del Telescopio Espacial James Webb (JWST), que incluye espejo e instrumentos científicos, y el Elemento de Nave Espacial, que combina el parasol y la nave espacial de JWST, por primera vez. Aunque ambos componentes del telescopio han sido probados individualmente, esto marca la primera vez que las dos mitades se han combinado en un solo observatorio. El hito fue importante para Webb mientras el telescopio avanza hacia su lanzamiento planificado en 2021.

JWST es el telescopio espacial más potente y complejo jamás construido —100 veces más potente que el telescopio Hubble. Diseñado para explorar el cosmos usando luz infrarroja, el telescopio permitirá a astrónomos observar los objetos más distantes en el universo, proporcionando imágenes de estrellas distantes, exoplanetas y las primeras galaxias formadas. El telescopio es también un ejemplo emocionante de cómo los compuestos permiten satélites y naves espaciales.

La plataforma del telescopio está compuesta por tres componentes principales —el Elemento de Telescopio Óptico (OTE), el Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM), y el Elemento de Nave Espacial (SCE), que incluye el bus de la nave espacial y el parasol del tamaño de una cancha de tenis.

JWST emplea un respaldo de fibra de carbono para soportar los espejos, instrumentos y otros elementos del telescopio —un total de más de 2.400 kilogramos (2,5 toneladas) de hardware. La estructura también es responsable de mantener el telescopio estable durante largos períodos de recolección de luz. El respaldo no puede variar más de 38 nanómetros a pesar de temperaturas extremas que van desde -406 °F a -343 °F (-243 °C a -208 °C).

El respaldo está hecho de preimpregnado que comprende fibra de carbono provista por Toray Advanced Composites y resina cianato éster de Hexcel (Stamford, Connecticut, EE. UU.). La estructura incluye más de 10.000 piezas ligeras de compuesto de fibra de carbono. La estructura completa del respaldo incluye la sección central, los ensamblajes de alas y el dispositivo de soporte del respaldo (BSF), y mide aproximadamente 24 pies de alto por 19,5 pies de ancho por más de 11 pies de profundidad (7,3 x 5,9 x 3,4 metros) cuando está completamente desplegado. Pesa solo 2.180 libras (989 kilogramos), pero soportará instrumentos que pesan más de 7.300 libras (3.311 kilogramos) —una carga útil de más del 300% de su propio peso.

Además del espejo primario y estructura del respaldo, el OTE de JWST incluye su Ensamblaje de Torre Desplegable (DTA), la estructura de soporte del espejo secundario y el marco ISIM que alberga los instrumentos científicos del telescopio y sistemas de enfriamiento. Estas estructuras están hechas con un preimpregnado de fibra de carbono de ultra-alto módulo y resina cianato éster de Toray Advanced Composites.

«Estos materiales son muy buenos materiales de banco óptico», dice Sean Johnson, gerente de producto, termofijos para Toray. «La alta rigidez de la fibra UHM proporciona una estructura muy estable [y] proporciona cierta cantidad de amortiguamiento. Es muy bueno a las bajas temperaturas [JWST] va a ver».

El SCE, o bus de la nave espacial, también está hecho de compuestos de fibra de carbono de Toray y alberga la propulsión de la nave, sistemas de soporte de observatorio, energía solar, sistemas de enfriamiento activo y comunicaciones. El bus debe ser simultáneamente ligero pero capaz de soportar una fuerza equivalente a 45 toneladas mientras soporta el observatorio durante el lanzamiento.

En octubre 2019, JWST pasó con éxito sus pruebas de despliegue de parasol y está actualmente programado para lanzar en 2021. (Más información).

 

Un salto gigante

Los próximos años prepararán el escenario para una era completamente nueva de exploración espacial. A medida que las naves espaciales y sistemas necesarios para esta nueva era dorada continúan evolucionando, proveedores y fabricantes de compuestos serán constantemente desafiados a empujar los materiales y tecnologías a nuevos límites.